CN113331852A - 用于辐射剂量测量的人体体模及其制备方法与应用 - Google Patents

用于辐射剂量测量的人体体模及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，包括：(1)通过扫描获得人体的全身CT图像，并生成可供3D打印的文件；(2)利用软件提取所述文件中记录的体模外轮廓、骨组织和主要器官的信息，并进行优化设计，得到优化后的3D打印文件；(3)根据所述优化后的3D打印文件，采用3D打印工艺分别打印得到体模主体和主要器官，然后将打印好的器官分别装配到体模主体中各器官的对应位置上；(4)配制骨骼等效胶体，并灌入体模主体中与骨组织对应的空腔中，固化后得到人体体模。本发明的人体体模，涵盖了8种不同的器官，各器官均可以拆卸，辐射敏感器官的密度偏差不大于3％，为未来航天员的辐射风险评估提供了平台。

Description

用于辐射剂量测量的人体体模及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及辐射剂量测量技术领域，具体涉及一种用于辐射剂量测量的人体体模及其制备方法与应用。
背景技术
空间站中，航天员必然暴露于舱内的空间辐射环境中。空间电离辐射是载人航天飞行中影响航天员安全健康的重要因素之一，因此空间辐射剂量测量一直是科学家极为关注的问题。空间辐射监测与评估技术的缺乏，将成为严重影响未来载人登月、驻月和深空飞行航天员辐射安全保障，迫切需要在现阶段开展测试平台，研究辐射敏感器官剂量分布。由于人体不同组织器官辐射敏感性的不同，获得可靠的不同组织器官的器官剂量分布，有助于评价空间辐射对各个组织器官的损伤效应，据此制定针对性更强的对抗措施，保障航天员的健康。
仿真人体体模发展可以追溯到20世纪初期。1906年奥地利放射物理学家Kienbock将水作为肌肉的替代物，用石蜡作为软组织的替代物研究射线对人体组织的作用。1949年Jones等在石蜡中掺入了氧化镁和二氧化钛等高原子的无机添加材料并开始应用于制作简单的仿真辐照体模及辐射剂量测量中。1956年有学者选用聚乙烯为原材料合成了世界上第一具聚乙烯仿真辐照体模。1961年Stacey等用橡胶作为组织辐射等效材料，制成Temes体模进行放射剂量测定。20世纪60年代中期，美国的Alderson实验室推出了改进型橡胶仿真辐照体模，同时开始了仿真辐照体模放射诊断、治疗、教育、研究系列体模的开发，主要产品是RANDO仿真辐照体模，它含有真人骨骼、体腔和拟人肺。在此基础上，ESA开发了用于空间辐射监测的体模，重点关注其与真实人体的大小、形状、质量密度，以及与射线的相互作用的保持一致性。该体模主要由组织等效材料(聚氨酯)、自然骨和仿肺材料(聚氨酯)所三部分组成，通过数十个25mm厚的片层并通过中间插入圆柱支撑固定。在每个片层都安装数十个主动、被动探测器。1984年美国Lawrence Livermore胸肺体模已有剂量测定、疾病模拟、检测机器和人员训练等10种功能。1985年Wielopolski等向聚丙烯酰胺中加入添加剂使得该材料的元素组成、比重、电子密度和形态上都与模拟组织更加相似。由于聚丙烯酰胺易加工、并获得均一密度的材料，所以其在用于制造形状复杂的人体器官等效材料方面具有一定的优势。2001年在国际空间站放置了球形Fred-2体模，重32kg，体积为370×370×390mm，在空间站持续了123天的测量。ESA牵头的MATROSHKA组织等效体模在入轨后，首先安装在国际空间站Zvezda舱外(2004年，539天)，随后在舱内2个地方放置(2006年，MTR-2A，337天以及2007-09年，MTR-2B，518天)。体模共有33层，在每层均具有凹槽，放置了热释光剂量计。在同一时期，俄罗斯牵头的MATROSHKA-R项目，使用了组织等效球来研究国际空间站内的人体组织器官剂量，该球的材料参数依照ICRU推荐的元素组成制作，主动测量探头可以放置在球内不同深度，以等效为不同深部器官的位置。
但是，目前仍未有符合中国人体特征的空间辐射剂量测量仿真体模，并且现有的仿真人体体模还存在诸多问题，例如现有的人体体模多采用发泡型高分子材料制备，环境污染大；器官无法拆卸，辐射敏感器官的密度偏差大、组织等效性较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于辐射剂量测量的人体体模，以解决现有的人体体模存在的种种缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供了一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过扫描获得人体的全身CT图像，并生成可供3D打印的文件；
(2)利用软件提取所述文件中记录的体模外轮廓、骨组织和主要器官的信息，并进行优化设计，得到优化后的3D打印文件；
(3)根据所述优化后的3D打印文件，采用3D打印工艺分别打印得到体模主体和主要器官，然后将打印好的器官分别装配到所述体模主体中各器官的对应位置上；
(4)配制骨骼等效胶体，并将其灌入体模主体中与骨组织对应的空腔中，固化后得到所述用于辐射剂量测量的人体体模。
本发明中，所述“体模主体”指的是体模中不包含所述主要器官和骨组织的部分。
进一步地，步骤(1)中，所述人体的全身CT图像通过扫描尸体标本获得。
进一步地，步骤(2)中，所述主要器官包括心、肺、肝、肾、肠和脑。
进一步地，步骤(2)中，所述优化设计指重建所述体模外轮廓、主要器官和骨组织，并在所述主要器官、骨组织及体模外轮廓上的对应位置设置用于插入辐射探测器的插孔。所述插孔的直径优选为5cm。
进一步地，所述体模外轮廓的优化设计包括：去除体模的手臂和腿部，并使剩余部分分割成头部、胸部和腹部三个部分，且每个部分均剖切为前后两半；所述主要器官和骨组织的优化设计包括：简化所述主要器官和骨组织的外轮廓，使得器官和骨组织的表面平滑化，并与周边组织分隔开来。
进一步地，步骤(3)中，采用熔融层积技术进行打印，所述打印的原料为ABS(丙烯腈、丁二烯、苯乙烯三种单体的三元共聚物)、聚乳酸(PLA)、PLA+、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)或热塑性弹性体(TPE)，打印的材料填充度为15％-100％，设置打印机底板的温度为40℃-80℃，打印温度为200℃-260℃。
进一步地，步骤(4)中，所述骨骼等效胶体是由环氧树脂和无机钙盐配制而成的，所述环氧树脂和无机钙盐的质量比为3:1-1:1。加入无机钙盐可以显著提高材料的密度和组织等效性。
进一步地，步骤(4)中，所述无机钙盐为碳酸钙或硫酸钙。
本发明还提供了一种由所述的方法制备的用于辐射剂量测量的人体体模。
进一步地，所述体模由头部、胸部和腹部三个部分组成，相邻的两个部分可通过插接配合的方式装配在一起。并且每个部分均分为前半部分和后半部分，前半部分和后半部分的对应面上设有相互匹配的凹部和凸部，从而也可以通过插接配合便捷地装配在一起。前半部分和后半部分的内侧还具有凹槽和腔体，所述凹槽中安装有主要器官，所述腔体用于灌注骨骼等效胶体以固化形成骨组织。
本发明还提供了所述的人体体模在空间辐射剂量测量领域中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的用于辐射剂量测量的人体体模，主体采用3D打印工艺制作，骨组织采用由环氧树脂和无机钙盐组成的骨骼等效胶体灌注、固化形成，与现有的发泡工艺相比，成型工艺更加简单，环境污染更小；另外，主要器官均可以拆卸，且组织等效性高，辐射敏感器官的密度偏差不大于3％。
2.本发明的用于辐射剂量测量的人体体模，涵盖了8种不同的器官(心、肺、肝、肾、肠、脑、皮肤和骨头)，通过在体模上的插入辐射探测器，能够方便且精确地测量得到不同器官的辐射剂量等信息，进而为未来航天员的辐射风险评估提供实验依据。
3.根据本发明的方法，基于中国人体数据可以构建中国人体体模，该中国人体体模更加符合中国航天员的体型特征。
附图说明
图1是中国人体体模成品的照片：(a)正面，(b)反面，(c)胸部内侧，(d)腹部内侧；
图2是中国人体体模的整体结构示意图；
图3是中国人体体模的头部内侧结构示意图；
图4是中国人体体模的胸部内侧结构示意图；
图5是中国人体体模的腹部内侧结构示意图；
其中：100、头部；110、脑；200、胸部；210、肺；220、心；230、肝；240、肾；300、腹部；310、肠；400、插孔；500、骨。
具体实施方式
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参见附图1-2，本发明提供了一种用于辐射剂量测量的人体体模，其由头部100、胸部200和腹部300三部分组成，相邻的两个部分通过插接配合的方式装配在一起。每个部分又被分为前半部分和后半部分，前半部分和后半部分的内侧面上设有匹配的凹部和凸部，从而也可以通过插接配合便捷地装配在一起。前半部分和后半部分的内侧面上还具有凹槽和腔体，这些凹槽内安装有主要器官，腔体内形成有骨组织。
图3-5分别为人体体模头部100、胸部200和腹部300的内侧结构示意图。从图中可以看出，头部100内侧设有脑110，胸部200内侧设有肺210、心220、肝230和肾240，腹部300内侧设有肠310，在胸部200和腹部300内侧还设有骨500。其中，在主要器官、骨组织及体模主体上对应位置均设置有插孔400，用于插入辐射探测器进行辐射剂量测量，以获取这些器官和骨组织的辐射剂量信息。
下面结合具体实施例详细描述本发明的用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法。
实施例1
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择ABS作为3D打印材料，采用熔融层积成型(FDM)打印技术，材料的填充度为100％，设置打印机底板的温度为40℃，打印温度为200℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内部器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和碳酸钙组成，环氧树脂和碳酸钙的质量比为2:1。
实施例2
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择ABS作为3D打印材料，采用FDM打印技术，材料的填充度为100％，设置打印机底板的温度为60℃，打印温度为230℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和碳酸钙组成，环氧树脂和碳酸钙的质量比为2:1。
实施例3
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择ABS作为3D打印材料，采用FDM打印技术，材料的填充度为100％，设置打印机底板的温度为60℃，打印温度为230℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和碳酸钙组成，环氧树脂和碳酸钙的质量比为2:1。
实施例4
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择聚乳酸(PLA)作为3D打印材料，采用FDM打印技术，材料的填充度为95％，设置打印机底板的温度为50℃，打印温度为210℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和硫酸钙组成，环氧树脂和硫酸钙的质量比为1:1。
实施例5
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择热塑性聚氨酯弹性体(TPU)作为3D打印材料，采用FDM打印技术，材料的填充度为90％，设置打印机底板的温度为80℃，打印温度为260℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和硫酸钙组成，环氧树脂和硫酸钙的质量比为1:1。
实施例6
本实施例提供了一种中国人体体模，其制备方法包括以下几个步骤：
1.利用尸体标本进行CT扫描获得螺旋断层扫描图片，利用Minics软件重建，生成可3D打印的stl文件。利用软件提取stl文件中的体模外轮廓、骨组织和主要器官信息，对生成的模型进行图像优化设计，具体为：使体模外轮廓去除手臂和腿部，并分为头部、胸部和腹部三个部分，每个部分均剖切为前后两半；使主要器官和骨组织表面平滑化，并与周边组织分隔开来；在主要器官、骨组织及体模主体上设置用于插入辐射探测器的插孔。
2.选择热塑性聚氨酯弹性体(TPU)作为3D打印材料，采用FDM打印技术，材料的填充度为95％，设置打印机底板的温度为60℃，打印温度为220℃，按照步骤1中的3D打印文件，对体模主体、心、肺、肝、肾、肠、脑进行打印，然后将打印的器官装配到体模主体内器官的对应位置。
3.制备骨骼等效胶体，并注入到体模主体内部骨组织的对应位置，经24小时固化后得到中国人体体模成品。其中，骨骼等效胶体由环氧树脂和硫酸钙组成，环氧树脂和硫酸钙的质量比为1:1。
性能测试
ICRU是国际辐射单位与测量委员会，他们提供了真实人体各组织的相关数据，一般认为这是标准。因此，本发明采用实施例1制备的中国人体体模与ICRU的真人数据进行比较，结果如表1-5所示。
1.dE/dx：带电粒子的阻止本领，为单位路程后的能量损失，是衡量某种物质对某种带电粒子的阻止本领。本发明中，de/dx以100MeV的质子，通过LISE++软件计算得到。
2.电子密度：每立方厘米的电子数。在理想情况下，对于软组织或者水的等效材料，它们必须有相同的有效原子序数、相同的原子序数和相同的质量密度。在临床使用的兆伏级射线中，康普顿效应占主导地位，此时要求等效材料具有与水相同的电子密度。
某个材料的电子密度(ρe)可以用它的质量密度(ρm)和它的原子序数通过下面公式计算获得：
Figure BDA0003154680620000081
其中，
Figure BDA0003154680620000082
NA为阿伏伽德罗常数，ai是原子序数为Zi，质量数为Ai的第i元素的质量分数。
3.有效原子序数：根据下列公式计算，
Figure BDA0003154680620000083
其中，ai和Zi分别对应第i种元素的质量分数和原子序数，质量分数通过化学元素分析仪测得。
4.线衰减系数(μ)：γ射线在物质中穿行单位长度(dl)路程时，其γ射线注量减少的份额dI/I，与该路径dl的比值。
Figure BDA0003154680620000091
通常，γ射线的衰减遵从指数分布规律：
Figure BDA0003154680620000092
通过仪器中γ射线的计数率的变化进行拟合得到线衰减系数。
表1实施例1的体模与ICRU真人数据的密度(g/cm3)
器官 体模 ICRU 偏差
肺 0.31 0.3 3％
软组织 1.05 1.04 <1％
骨骼 1.39 1.4 <1％
其他器官 1.04-1.06 1.04 <2％
表2实施例1的体模与ICRU真人数据的de/dx值(kev/μm)
器官 体模 ICRU 偏差
肺 0.22 0.218 1％
软组织 0.72 0.757 4.9％
骨骼 0.96 0.92 4.3％
其他器官 0.76-0.78 0.76 <1％
表3实施例1的体模与ICRU真人数据的有效原子序数
器官 体模 ICRU 偏差
肺 6.49 7.079 8.3％
软组织 6.49 7.054 8％
骨骼 5.51 5.315 3.7％
其他器官 6.52 6.955 6％
表4实施例1的体模与ICRU真人数据的电子密度(个/cm3)
Figure BDA0003154680620000093
Figure BDA0003154680620000101
表5实施例1的体模与ICRU真人数据的线衰减系数
器官 体模 ICRU 偏差
肺 0.068 0.07 2.86％
软组织 0.068 0.07 2.86％
骨骼 0.067 0.066 1.5％
其他器官 0.068 0.07 2.86％
从表1-5的结果可以看出，本发明制备的人体体模，各器官和组织在密度、de/dx值、有效原子序数、电子密度和线衰减系数等指标上与ICRU真人数据的偏差值小，具有很高的组织等效性。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过扫描获得人体的全身CT图像，并生成可供3D打印的文件；
(2)利用软件提取所述文件中记录的体模外轮廓、骨组织和主要器官的信息，并进行优化设计，得到优化后的3D打印文件；
(3)根据所述优化后的3D打印文件，采用3D打印工艺分别打印得到体模主体和主要器官，然后将打印好的器官分别装配到所述体模主体中各器官的对应位置上；
(4)配制骨骼等效胶体，并将其灌入体模主体中与骨组织对应的空腔中，固化后得到所述用于辐射剂量测量的人体体模。
2.根据权利要求1所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述人体的全身CT图像通过扫描尸体标本获得。
3.根据权利要求1所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述主要器官包括心、肺、肝、肾、肠和脑。
4.根据权利要求1所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述优化设计指重建所述体模外轮廓、主要器官和骨组织，并在所述主要器官、骨组织及体模外轮廓上的对应位置设置用于插入辐射探测器的插孔。
5.根据权利要求4所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述体模外轮廓的优化设计包括：去除体模的手臂和腿部，并使剩余部分分割成头部、胸部和腹部三个部分，且每个部分均剖切为前后两半；
所述主要器官和骨组织的优化设计包括：简化所述主要器官和骨组织的外轮廓，使得器官和骨组织的表面平滑化，并与周边组织分隔开来。
6.根据权利要求1所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，采用熔融层积技术进行打印，所述打印的原料为ABS、PLA、PLA+、TPU或TPE，打印的材料填充度为15％-100％；设置打印机底板的温度为40℃-80℃，打印温度为200℃-260℃。
7.根据权利要求1所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述骨骼等效胶体是由环氧树脂和无机钙盐配制而成的，所述环氧树脂和无机钙盐的质量比为3:1-1:1。
8.根据权利要求7所述的一种用于辐射剂量测量的人体体模的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述无机钙盐为碳酸钙或硫酸钙。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的方法制备的用于辐射剂量测量的人体体模。
10.权利要求9所述的人体体模在空间辐射剂量测量领域中的应用。
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